细菌利用诱饵环核苷酸“潘诺普特斯”系统感知噬菌体抗防御蛋白实现免疫防御新机制

为破解噬菌体通过核苷酸“海绵蛋白”逃逸细菌免疫的难题，研究者发现Panoptes系统利用组成性合成的2',3'-c-di-AMP作为诱饵信号，当噬菌体Acb2蛋白劫持该信号时，会激活膜穿孔效应蛋白OptE，实现"反诱捕"式防御。这项研究揭示了原核生物通过监控第二信使池完整性实现免疫监视的新范式。

　　

在细菌与噬菌体持续数十亿年的军备竞赛中，核苷酸衍生的第二信使分子成为免疫信号传导的核心媒介。诸如CBASS（cyclic oligonucleotide-based antiphage signaling system）、Pycsar（pyrimidine cyclase system for antiphage resistance）和Thoeris等系统，均利用环二核苷酸或环单核苷酸作为感染信号激活效应蛋白。然而噬菌体也进化出多种反击策略，包括磷酸二酯酶和“海绵蛋白”（如Acb2），通过降解或隔离这些信号分子逃逸免疫。这种进化博弈催生了一个关键科学问题：细菌能否演化出监测自身第二信使池完整性的机制？

近日，《Nature》发表的研究给出了肯定答案。研究者发现并解析了名为Panoptes（源自希腊神话“百眼巨人”）的新型抗噬菌体系统。该系统由optS和optE两个基因组成，其中OptS是一种最小化CRISPR聚合酶（minimal CRISPR polymerase, mCpol），可持续合成2',3'-环二腺苷一磷酸（2',3'-c-di-AMP）；而跨膜效应蛋白OptE通过感知该信号分子维持抑制状态。当噬菌体感染后表达Acb2蛋白劫持环核苷酸时，OptE被激活并破坏细菌内膜，导致细胞死亡并中止噬菌体复制。这种“诱饵监测”机制标志着细菌免疫防御范式的重大转变。

研究关键技术方法包括：X射线晶体学解析OptS与ATP类似物ApCpp的复合结构（分辨率1.75?）；高效液相色谱（HPLC）与质谱联用鉴定酶促产物；等温滴定量热法（ITC）测定Acb2与2',3'-c-di-AMP结合亲和力（K_d=62 nM）；热位移分析验证OptE的核苷酸结合特异性；使用BASEL噬菌体库进行大规模感染实验；通过基因组测序分析噬菌体逃逸突变位点。

Panoptes系统限制噬菌体复制

研究者从Vibrio navarrensis中鉴定出optSE操纵子，其中optS编码具有mCpol结构域的合成酶，optE编码含有S-2TMβ结构域的膜效应蛋白。实验证明该系统对Straboviridae科噬菌体（特别是T-even噬菌体）具有广谱防御能力，对Bas38等噬菌体抑制效果超1000倍。值得注意的是，对通常易感防御系统的T2噬菌体无效，暗示其具有独特逃逸机制。

OptS是最小CRISPR聚合酶

Klebsiella pneumoniae OptS（KpOptS）晶体结构揭示其形成四聚体，每个单体包含典型的Palm结构域，与III型CRISPR系统中Cas10聚合酶域和GGDEF二鸟苷酸环化酶具有结构同源性。体外实验证实KpOptS以ATP为底物特异性合成2',3'-c-di-AMP，突变催化关键天冬氨酸（D6N/D57N）完全消除活性。热位移实验表明VnOptE对2',3'-c-di-AMP结合特异性最强（ΔT_m≈11°C），体内检测显示OptSE表达菌株内该信号分子浓度达30.4 nM。

Panoptes同源物产生多样化核苷酸

结构分析显示KpOptS通过相邻原体间的协同作用实现底物识别，Ser30和Asn34残基决定核苷酸基底特异性。VnOptS展现出更广泛的底物选择性，除2',3'-c-di-AMP外还能产生2'-cGAMP、3',2'-cUAMP等混合连接型环二核苷酸。点突变实验证实S30N突变使KpOptS产物比例向3',2'-cGAMP倾斜，而VnOptS的N31S突变则增加2',3'-c-di-AMP产量，揭示单个氨基酸残基即可调控产物多样性。

Acb2是激活Panoptes的必要且充分条件

通过对逃逸噬菌体的基因组测序发现，14/15的突变集中在acb2基因。基因敲除实验证实T4Δacb2噬菌体完全逃逸OptSE限制，而Δacb1突变无影响。ITC测定显示Acb2以62 nM亲和力结合2',3'-c-di-AMP，而逃逸突变体F82C结合能力显著减弱。最关键的是，单独表达acb2即可激活OptSE系统导致生长抑制，共聚焦显微镜显示诱导90分钟后细胞膜通透性增加。

噬菌体抗防御蛋白激活Panoptes

研究发现Tad1（Thoeris抗防御蛋白1）等核苷酸海绵蛋白同样能激活Panoptes，而磷酸二酯酶类蛋白（Apyc1、AcrIII-1）则无此功能。系统分布分析显示53%的mCpol系统与SMODS结构域蛋白（如cGAS/DncV样核苷酸转移酶）显著共现（P=3.7×10^-12），40%与含有CARF结构域的2TM蛋白关联。进化分析表明Panoptes可能作为CBASS系统的“守卫者”，迫使噬菌体面临“失去Acb2易感CBASS”或“保留Acb2触发Panoptes”的两难选择。

该研究揭示了细菌免疫监视的新范式：通过组成性合成诱饵信号分子，监测其被劫持的行为而非直接感知病原体相关分子模式。这种机制与真核生物中“效应子触发免疫”（effector-triggered immunity）具有深层相似性，为理解免疫系统的进化守恒提供了新视角。Panoptes系统的发现不仅拓宽了对原核生物抗病毒策略的认识，更为开发新型抗菌策略提供了分子蓝图——通过设计模拟核苷酸海绵的分子激活细菌自身免疫系统，可能开辟病原体控制的新途径。